Введение

Планирование полета — это процесс составления плана полета для описания предполагаемого маршрута воздушного судна. Оно включает в себя два критически важных для безопасности аспекта: расчет необходимого топлива, чтобы обеспечить безопасный прилет воздушного судна в пункт назначения, и соблюдение требований службы управления воздушным движением, чтобы минимизировать риск столкновения в воздухе. Кроме того, планировщики полетов обычно стремятся минимизировать стоимость полета за счет оптимального выбора маршрута, высоты и скорости, а также загрузки минимально необходимого количества топлива на борт. Службы воздушного движения (ATS) используют завершенный план полета для обеспечения разведения воздушных судов в рамках управления воздушным движением, включая отслеживание и поиск потерянных воздушных судов во время поисково-спасательных операций (SAR). Планирование полета требует точных прогнозов погоды, чтобы расчеты расхода топлива учитывали влияние встречного или попутного ветра и температуры воздуха. Правила безопасности предписывают воздушным судам иметь на борту запас топлива, превышающий минимально необходимый для полета от пункта отправления до пункта назначения, что позволяет учесть непредвиденные обстоятельства или необходимость перенаправления в другой аэропорт, если запланированный пункт назначения станет недоступен. Более того, под надзором службы управления воздушным движением воздушные суда, выполняющие полеты в контролируемом воздушном пространстве, должны следовать заранее определенным маршрутам, известным как воздушные трассы (по крайней мере, там, где они установлены), даже если эти маршруты менее экономичны, чем более прямой полет. На этих воздушных трассах воздушные суда должны поддерживать эшелоны, установленные высоты, обычно разделенные вертикально на определенное расстояние, в зависимости от пролетаемого маршрута и направления полета. Когда воздушные суда с двумя двигателями выполняют длительные перелеты над океанами, пустынями или другими районами, где отсутствуют аэропорты, они должны соответствовать дополнительным правилам безопасности ETOPS, чтобы гарантировать возможность достижения запасного аэродрома в случае отказа одного из двигателей. Создание точного и оптимизированного плана полета требует миллионов вычислений, поэтому коммерческие системы планирования полетов широко используют компьютеры (приблизительный неоптимизированный план полета можно составить с помощью E6B и карты примерно за час, но необходимо учитывать дополнительное время на непредвиденные обстоятельства). Когда компьютерное планирование полетов заменило ручное планирование полетов для рейсов в восточном направлении через Северную Атлантику, среднее потребление топлива сократилось примерно на единицу топлива на рейс, а среднее время полета сократилось примерно на 5 минут на рейс. Некоторые коммерческие авиакомпании имеют собственные внутренние системы планирования полетов, в то время как другие пользуются услугами внешних планировщиков. Лицензированный диспетчер полетов или сотрудник службы организации полетов в соответствии с законом обязан выполнять задачи по планированию полетов и наблюдению за полетом во многих коммерческих операционных средах (например, FAR США §121, канадские правила). Эти правила различаются в зависимости от страны, но все больше стран требуют от своих авиакомпаний нанимать таких специалистов.

Единицы измерения

В планах полетов используются как метрические, так и неметрические единицы измерения. Конкретные используемые единицы могут различаться в зависимости от типа воздушного судна, авиакомпании и участка полета. С 1979 года Международная организация гражданской авиации (ИКАО) рекомендует унификацию единиц измерения в авиации на основе Международной системы единиц (СИ). С 2010 года ИКАО рекомендует использовать: километры в час (км/ч) для скорости в полете, метры в секунду (м/с) для скорости ветра при посадке, километры (км) для расстояния и метры (м) для высоты. Однако срок завершения перехода на метрическую систему не установлен. Несмотря на то, что единицы СИ являются технически предпочтительными, в коммерческой авиации по-прежнему широко используются различные несистемные единицы: узлы (kn) для скорости, морские мили (nm) для расстояния и футы (ft) для высоты.

Единицы расстояния

Расстояния почти всегда измеряются в морских милях, рассчитываемых для высоты 32 000 футов (9754 м) с учетом того, что Земля имеет форму геоида, а не идеальной сферы. На авиационных картах расстояния всегда указываются, округленные до ближайшей морской мили, и именно эти расстояния отображаются в плане полета. Системы планирования полетов могут использовать не округленные значения во внутренних расчетах для достижения большей точности.

Топливные установки

Измерение топлива будет различаться в зависимости от приборов, установленных на конкретном воздушном судне. Наиболее распространенной единицей измерения топлива является килограмм; другие возможные единицы включают фунты, британские галлоны, американские галлоны и литры. При измерении топлива по массе удельный вес используемого топлива учитывается при проверке вместимости топливных баков. Известны случаи, когда у самолета заканчивалось топливо из-за ошибки при пересчете килограммов в фунты. В одном из таких случаев экипажу удалось спланировать к ближайшей взлетно-посадочной полосе и безопасно приземлиться (эта полоса была одной из двух на территории бывшего аэропорта, который в то время использовался как трасса для драг-рейсинга). Многие авиакомпании требуют округления количества топлива до кратного 10 или 100. Это может приводить к интересным проблемам с округлением, особенно при работе с промежуточными итогами. Вопросы безопасности также необходимо учитывать при принятии решения об округлении в большую или меньшую сторону.

Единицы высоты

Высота воздушного судна определяется с помощью высотомера давления (подробнее см. эшелон полета). Таким образом, указанные здесь высоты являются номинальными высотами при стандартных условиях температуры и давления, а не фактическими. Все воздушные суда, работающие на эшелонах полета, калибруют высотомеры по единой стандартной настройке, независимо от фактического давления на уровне моря, что снижает риск столкновения. В большинстве районов высота докладывается в виде кратного 30 метрам, то есть A025 номинально составляет 762 метра. При крейсерском полете на больших высотах воздушные суда используют эшелоны полета (FL). Эшелоны полета – это высоты, скорректированные и откалиброванные относительно Международной стандартной атмосферы (ISA). Они выражаются трехзначным числом, например, FL320 – это 32000 футов (9754 метра) по ISA. В большинстве районов вертикальное разделение между воздушными судами составляет… В России, Китае и некоторых соседних странах высоты измеряются в метрах. Вертикальное эшелонирование между самолетами составляет 300 или 600 метров (приблизительно на 1,6% меньше, чем 1000 или 2000 футов). До 1999 года вертикальное эшелонирование между самолетами, летящими на больших высотах по одному и тому же маршруту, составляло 2000 футов (610 метров). С тех пор во всем мире поэтапно внедряется минимальный уровень сниженного вертикального эшелонирования (RVSM). Это уменьшает вертикальное разделение до 1000 футов (305 метров) между эшелонами полета 290 и 410 (точные границы незначительно варьируются в зависимости от региона). Поскольку большинство реактивных самолетов выполняют полеты на этих высотах, данная мера фактически удваивает пропускную способность воздушных трасс. Для использования RVSM самолеты должны быть оснащены сертифицированными высотомерами, а автопилоты должны соответствовать более строгим стандартам точности.

Единицы массы

Вес самолета чаще всего измеряется в килограммах, но иногда может измеряться в фунтах, особенно если топливные датчики откалиброваны в фунтах или галлонах. Многие авиакомпании просят округлять вес до кратного 10 или 100. При округлении необходимо соблюдать осторожность, чтобы не превысить допустимые физические ограничения. В неформальном обсуждении плана полета приблизительный вес топлива и/или самолета может упоминаться в тоннах. Под "тонной" обычно подразумевается метрическая тонна, британская длинная тонна (разница между ними менее 2%) или американская короткая тонна (приблизительно на 10% меньше).

Описание маршрута

Маршрут – это описание траектории движения воздушного судна при полете между аэропортами. Большинство коммерческих рейсов выполняются из одного аэропорта в другой, однако частные воздушные суда, коммерческие обзорные полеты и военные самолеты могут совершать круговые или радиальные полеты, возвращаясь для посадки в аэропорт вылета.

Компоненты

Самолеты летают по воздушным трассам под управлением службы управления воздушным движением. Воздушная трасса не имеет физического воплощения, но ее можно представить как автомагистраль в небе. На обычной автомагистрали автомобили используют разные полосы движения, чтобы избежать столкновений, а на воздушной трассе самолеты летят на разных эшелонах, чтобы избежать столкновений. Часто можно видеть самолеты, пролетающие прямо над или под своим. Карты воздушных трасс публикуются и обычно обновляются каждые 4 недели, что совпадает с циклом AIRAC. AIRAC (Aeronautical Information Regulation and Control) происходит каждый четвертый четверг, когда каждая страна публикует свои изменения, которые обычно касаются воздушных трасс. Каждая воздушная трасса начинается и заканчивается в точке маршрута и может содержать несколько промежуточных точек маршрута. Точки маршрута обозначаются пятью буквами (например, PILOX), а те, которые также служат не направленными радиомаяками, используют три или две буквы (TNN, WK). Воздушные трассы могут пересекаться или соединяться в точках маршрута, поэтому самолет может переходить с одной воздушной трассы на другую в этих точках. Полный маршрут между аэропортами часто использует несколько воздушных трасс. Если между двумя точками маршрута нет подходящей воздушной трассы, и использование воздушных трасс привело бы к извилистому маршруту, служба управления воздушным движением может разрешить прямое следование от точки маршрута к точке маршрута, которое не использует воздушную трассу (часто сокращается в плане полета как "DCT"). Большинство точек маршрута классифицируются как обязательные точки доклада; то есть пилот (или бортовая система управления полетом) сообщает о местоположении самолета службе управления воздушным движением по мере прохождения самолетом точки маршрута. Существует два основных типа точек маршрута:
Названная точка маршрута отображается на авиационных картах с известными координатами широты и долготы. Такие точки маршрута на суше часто имеют связанный с ними радиомаяк, чтобы пилоты могли легче определить свое местоположение. Полезные названные точки маршрута всегда находятся на одной или нескольких воздушных трассах. Географическая точка маршрута – это временное положение, используемое в плане полета, обычно в районе, где нет названных точек маршрута (например, большая часть океанов в Южном полушарии). Служба управления воздушным движением требует, чтобы географические точки маршрута имели координаты широты и долготы, кратные целому числу градусов. Следует отметить, что воздушные трассы не соединяются напрямую с аэропортами. После взлета самолет следует по процедуре вылета (стандартный инструментальный заход на вылет, или SID), которая определяет путь от взлетно-посадочной полосы аэропорта до точки маршрута на воздушной трассе, чтобы самолет мог контролируемым образом присоединиться к системе воздушных трасс. Большая часть набора высоты во время полета происходит по процедуре SID. Перед посадкой самолет следует по процедуре прибытия (стандартный маршрут прибытия в терминал, или STAR), которая определяет путь от точки маршрута на воздушной трассе до взлетно-посадочной полосы аэропорта, чтобы самолет мог контролируемым образом покинуть систему воздушных трасс. Большая часть снижения высоты во время полета происходит по процедуре STAR. Специальные маршруты, известные как океанские трассы, используются над некоторыми океанами, в основном в Северном полушарии, для увеличения пропускной способности на оживленных маршрутах. В отличие от обычных воздушных трасс, которые меняются нечасто, океанские трассы меняются дважды в день, чтобы использовать благоприятные ветры. Рейсы, следующие по струйному течению, могут быть на час короче, чем те, которые летят против него. Океанские трассы могут начинаться и заканчиваться примерно в 160 километрах от берега в названных точках маршрута, к которым подключено несколько воздушных трасс. Трассы над северными океанами подходят для полетов с востока на запад или с запада на восток, которые составляют основную часть трафика в этих районах.

Полные маршруты

Существует несколько способов построения маршрута. Все сценарии, использующие воздушные трассы, используют SID и STAR для вылета и посадки. Любое упоминание воздушных трасс может включать небольшое количество "прямых" сегментов для ситуаций, когда нет удобных соединений трасс. В некоторых случаях политические соображения могут влиять на выбор маршрута (например, самолеты одной страны не могут пересекать воздушное пространство другой страны). Воздушные трассы от точки вылета до точки назначения. Большинство полетов над сушей относятся к этой категории. Воздушные трассы от точки вылета до береговой линии океана, затем океаническая трасса, затем воздушные трассы от береговой линии океана до точки назначения. Большинство полетов над северными океанами относятся к этой категории. Воздушные трассы от точки вылета до береговой линии океана, затем зона свободных полетов над океаном, затем воздушные трассы от береговой линии океана до точки назначения. Большинство полетов над южными океанами относятся к этой категории. Зона свободных полетов от точки вылета до точки назначения. Это относительно редкая ситуация для коммерческих рейсов. Даже в зоне свободных полетов авиадиспетчеры по-прежнему требуют доклады о местоположении примерно раз в час. Системы планирования полетов организуют это, вставляя географические точки с подходящими интервалами. Для реактивных самолетов эти интервалы составляют 10 градусов долготы для полетов в восточном или западном направлении и 5 градусов широты для полетов в северном или южном направлении. В зонах свободных полетов коммерческие самолеты обычно следуют трассе минимального времени, чтобы использовать как можно меньше времени и топлива. Маршрут большого круга имеет наименьшее расстояние по земле, но вряд ли будет иметь наименьшее воздушное расстояние из-за влияния встречного или попутного ветра. Система планирования полетов может выполнять значительный анализ для определения оптимального маршрута в зоне свободных полетов.

Расчет топлива

Расчет потребности в топливе (особенно топлива для маршрута и резервного топлива) – наиболее критичный для безопасности аспект планирования полета. Этот расчет достаточно сложен: скорость расхода топлива зависит от температуры окружающей среды, скорости и высоты полета самолета, ни один из этих параметров не может быть предсказан с абсолютной точностью. Скорость расхода топлива также зависит от веса самолета, который изменяется по мере его сжигания. Обычно требуется несколько итераций из-за необходимости вычисления взаимосвязанных величин. Например, резервное топливо часто рассчитывается в процентах от топлива для маршрута, но топливо для маршрута нельзя рассчитать, пока не известен общий вес самолета, включая вес резервного топлива.

Расчет

Вес топлива составляет значительную часть общего веса воздушного судна, поэтому любой расчет топлива должен учитывать вес не сгоревшего топлива. Вместо того чтобы пытаться предсказать количество не сгоревшего топлива, система планирования полета может решить эту задачу, двигаясь в обратном направлении по маршруту: начиная с запасного аэродрома, возвращаясь к пункту назначения, а затем, поочередно, к каждой точке маршрута, пока не достигнет исходного пункта. Далее приводится более подробное описание расчета. Обычно требуется несколько (возможно, много) итераций для вычисления взаимозависимых значений, таких как резервное топливо и топливо для полета, или для решения ситуаций, когда превышены физические ограничения. В последнем случае обычно необходимо уменьшить полезную нагрузку (снизить вес груза или количество пассажиров). Некоторые системы планирования полетов используют сложные системы приближенных уравнений для одновременной оценки всех необходимых изменений, что может значительно сократить количество требуемых итераций. Если самолет приземляется на запасном аэродроме, в худшем случае можно предположить, что топлива не осталось (на практике, как правило, остается достаточно резервного топлива для хотя бы руления с взлетно-посадочной полосы). Следовательно, система планирования полета может рассчитать топливо для ожидания на запасном аэродроме, исходя из того, что конечный вес самолета равен весу без топлива. Поскольку самолет находится в круге ожидания, для этого и любого другого расчета ожидания нет необходимости учитывать ветер. Для полета от пункта назначения к запасному аэродрому система планирования полета может рассчитать топливо для полета к запасному аэродрому и резервное топливо, исходя из того, что вес самолета при прибытии на запасной аэродром равен весу без топлива плюс топливо для ожидания на запасном аэродроме. Затем система планирования полета может рассчитать топливо для ожидания в пункте назначения, исходя из того, что конечный вес самолета равен весу без топлива плюс топливо для ожидания на запасном аэродроме, плюс топливо для полета к запасному аэродрому, плюс резервное топливо. Для полета от исходного пункта к пункту назначения вес при прибытии в пункт назначения можно принять равным весу без топлива плюс топливо для ожидания на запасном аэродроме, плюс топливо для полета к запасному аэродрому, плюс резервное топливо, плюс топливо для ожидания в пункте назначения. Затем система планирования полета может двигаться в обратном направлении по маршруту, рассчитывая топливо для полета и резервное топливо для каждой точки маршрута, при этом топливо, необходимое для каждого участка между точками маршрута, учитывается в весе самолета при расчете следующего участка. На каждом этапе и/или в конце расчета система планирования полета должна выполнять проверки, чтобы убедиться, что физические ограничения (например, максимальная емкость топливных баков) не были превышены. Если возникают проблемы, необходимо либо уменьшить вес самолета, либо отказаться от расчета. Альтернативный подход к расчету топлива заключается в вычислении топлива для запасного аэродрома и ожидания, как описано выше, и получении приблизительной оценки общей потребности в топливе для полета, основанной либо на предыдущем опыте эксплуатации данного маршрута и типа воздушного судна, либо с использованием приближенной формулы; ни один из этих методов не может в полной мере учитывать погодные условия. Затем расчет может быть продолжен в прямом направлении по маршруту, точка за точкой. По прибытии в пункт назначения фактическое потребление топлива для полета можно сравнить с расчетным, сделать более точную оценку и повторить расчет при необходимости.

Основные улучшения

Для любого заданного маршрута система планирования полетов может снизить затраты, определяя наиболее экономичную скорость на определенной высоте и выбирая оптимальную высоту или высоты, основываясь на прогнозе погоды. Такая локальная оптимизация может выполняться последовательно, участок за участком. Коммерческие авиакомпании не хотят, чтобы самолет слишком часто менял высоту (в частности, это может затруднить работу бортпроводников), поэтому они часто устанавливают минимальный интервал времени между изменениями эшелона, связанными с оптимизацией. Чтобы соответствовать этим требованиям, система планирования полетов должна обеспечивать нелокальную оптимизацию высоты, одновременно учитывая несколько участков маршрута и затраты топлива на возможные кратковременные наборы высоты. Если между аэропортами вылета и назначения существует несколько возможных маршрутов, задача системы планирования полетов усложняется, поскольку ей необходимо рассмотреть множество вариантов, чтобы найти наилучший маршрут. Во многих случаях существует десятки или даже сотни возможных маршрутов, а в некоторых – более 25 000 (например, при полете из Лондона в Нью-Йорк по свободной схеме ниже трассовой системы). Объем вычислений, необходимый для создания точного плана полета, настолько велик, что детальный анализ каждого возможного маршрута невозможен. Система планирования полетов должна иметь эффективный способ сокращения количества вариантов до управляемого числа перед проведением детального анализа.

Сокращение резерва

С точки зрения бухгалтера, обеспечение запаса топлива обходится недешево (топливо, необходимое для перевозки, в надежде, неиспользованного запаса топлива). Разработаны методики, известные как повторный расчет маршрута (реклир), передислокация или процедура точки принятия решения, которые позволяют значительно сократить необходимое количество запасного топлива, сохраняя при этом все необходимые стандарты безопасности. Эти методики основаны на наличии определенного промежуточного аэропорта, в который можно перенаправить рейс при необходимости;

План полета с повторным расчетом маршрута имеет два пункта назначения. Аэропорт конечного назначения – это место, куда на самом деле направляется рейс, а аэропорт первоначального назначения – это место, куда рейс будет перенаправлен, если в начале полета будет израсходовано больше топлива, чем ожидалось. Точка пути, в которой принимается решение о выборе пункта назначения, называется точкой реклира или точкой принятия решения. Достигнув этой точки, экипаж сравнивает фактический и прогнозируемый расход топлива и проверяет, сколько запасного топлива осталось. Если запаса топлива достаточно, рейс может продолжаться до аэропорта конечного назначения; в противном случае самолет должен быть перенаправлен в аэропорт первоначального назначения. Аэропорт первоначального назначения выбирается таким образом, чтобы для полета от отправной точки до него требовалось меньше запасного топлива, чем для полета до аэропорта конечного назначения. В нормальных условиях запасное топливо практически не расходуется, поэтому, когда самолет достигает точки реклира, на борту все еще остается (почти) весь первоначальный запас топлива, которого достаточно для перелета от точки реклира до конечного пункта назначения. Идея полетов с повторным расчетом маршрута впервые была опубликована в журнале Boeing Airliner (1977) инженерами Boeing Дэвидом Артуром и Гари Роузом. Находясь в воздухе, пилот должен летать максимально эффективно, поэтому он может попытаться убедить авиадиспетчера разрешить ему приблизиться к оптимальному маршруту. Это может включать запрос более высокого эшелона полета, чем указано в плане, или запрос более прямого маршрута. Если диспетчер не соглашается сразу, можно периодически повторно запрашивать разрешение, пока он не уступит. Кроме того, если в районе сообщалось о неблагоприятных погодных условиях, пилот может запросить набор высоты или поворот для обхода зоны плохой погоды. Даже если пилоту не удается вернуться к оптимальному маршруту, преимущества, полученные от разрешения на полет, вполне могут перевесить стоимость неоптимального маршрута.

Полеты по VFR

Хотя полеты по правилам визуальных полетов (VFR) часто не требуют подачи плана полета, определенное планирование полета все же необходимо. Командир воздушного судна должен убедиться, что на борту будет достаточно топлива для полета и достаточный запас топлива на случай непредвиденных обстоятельств. Вес и центровка должны оставаться в пределах установленных ограничений на протяжении всего полета. Командир воздушного судна должен подготовить альтернативный план полета на случай, если посадка в запланированном пункте назначения окажется невозможной. Однако в Канаде правила устанавливают, что "ни один командир воздушного судна не должен выполнять полет по правилам VFR, если не был подан план полета VFR или маршрут полета VFR, за исключением полетов, выполняемых в пределах 25 морских миль от аэродрома вылета".